01、研究背景
隨著可再生能源并網比例持續(xù)提高，儲能技術的發(fā)展受到廣泛的關注。當前電力系統(tǒng)中應用的如電化學儲能等儲能方式主要提供面向電力系統(tǒng)的日內調峰、調頻、爬坡等服務，用于平抑短時（秒、分鐘、小時）尺度的電力波動，難以應對長時間（周、月、年）尺度下可再生能源出力與負荷需求的電量不平衡問題。為了實現長時間尺度的能量平移，平抑數日、數周乃至季節(jié)性的電量波動，參與月、季、年乃至跨年調節(jié)過程，需要采用長時間、大容量的儲能技術，本文將這類儲能技術定義為季節(jié)性儲能。隨著可再生能源并網比例逐漸提高，季節(jié)性儲能技術的發(fā)展受到廣泛的關注。季節(jié)性儲能作為大規(guī)模、長時間儲能的重要方式，可以實現長時間以及廣域空間范圍內的能量轉移，因此研究面向高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能技術具有重要意義。
本文綜述了季節(jié)性儲能技術的典型類型與發(fā)展現狀，總結了各種季節(jié)性儲能的技術性能與關鍵特征，從季節(jié)性儲能的建模、靈活運行分析、儲能容量需求分析與效益評估、季節(jié)性儲能優(yōu)化規(guī)劃、長-短期儲能的協(xié)同運行與合理配置等方面綜述了電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能研究現狀，從長時間尺度、多能源形式與跨空間范圍3個層面分析了面向高比例可再生能源的季節(jié)性儲能研究的關鍵科學問題與挑戰(zhàn)，展望了未來在季節(jié)性儲能精細化建模、協(xié)調規(guī)劃、運行控制、綜合能源市場等方面需要解決的重點問題，以期為未來研究提供參考。
02、季節(jié)性儲能技術概述
高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活性調節(jié)資源稀缺，跨區(qū)域互濟逐漸難以解決可再生能源出力與負荷需求的電力電量不平衡問題。圖1所示為電力系統(tǒng)中年持續(xù)凈負荷特性曲線在可再生能源達到一定比例時，系統(tǒng)出現電力富余需儲能參與消納的示意圖。季節(jié)性儲能在電力系統(tǒng)電能富余時將電能轉化為其他可長期存儲的能量形式進行儲存，實現跨能源形式的長期儲能與優(yōu)化利用。
圖1 高比例可再生能源電力系統(tǒng)年持續(xù)凈負荷曲線
1) 季節(jié)性儲能分類
季節(jié)性儲能根據其能量轉換性質可以分為狹義季節(jié)性儲能（簡稱為狹義儲能）與廣義季節(jié)性儲能（簡稱為廣義儲能）。狹義儲能是將電能轉化為其他形式能量進行長期存儲，利用時存儲能量轉變回為電能使用的儲能方式。廣義儲能是僅將電能轉化為其他形式能量存儲，在利用環(huán)節(jié)不轉換回電能而直接利用所存儲能量形式的儲能方式。狹義儲能完成了電能-其他形式能量-電能的能量轉變，具有與電力系統(tǒng)強耦合的特點，但2次能量轉化過程增加了儲能的能量損耗。廣義儲能僅完成電能-其他形式能量的能量轉換過程，將終端負荷需求由電轉變?yōu)槔?、熱等多種能量形式，實現跨能源品種的季節(jié)性儲能與優(yōu)化利用，間接改善了用電負荷的季節(jié)特性。2種形式季節(jié)性儲能的原理如圖2所示。
圖2 狹義與廣義季節(jié)性儲能原理示意圖
狹義儲能具備長時間、大容量等特點，其存儲能量品位高，可實現電能高效轉化。按存儲能量形式分類，狹義儲能技術包括電轉氣、抽水蓄能與壓縮空氣儲能等。
廣義儲能利用電力系統(tǒng)中的富余電能，將其轉化為其他能源或產品，用于進行大規(guī)模存儲、轉移并直接利用，實現了電力系統(tǒng)的負荷電量在季節(jié)尺度的轉移。廣義儲能的能量形式不僅需要具備能夠長時間、大容量、低成本存儲的特點，還需要方便、直接地進行終端使用。廣義儲能包括儲熱/冷，基于Power-to-X的電能替代等。
2) 季節(jié)性儲能的關鍵特征
相比于以電化學儲能為主的電力系統(tǒng)短期儲能技術，季節(jié)性儲能技術的關鍵特征可以總結為長時間尺度儲能、跨能源形式、空間可運輸3個方面。
① 長時間尺度
季節(jié)性儲能要求儲能裝置具備很低的自損耗，其充放能行為通常以月/年作為時間單位。季節(jié)性儲能為解決可再生能源出力與負荷季節(jié)尺度的不平衡提供了應對方案，具有可長期儲存的特性，實現了能量的跨季節(jié)轉移。
② 跨能源形式
當前技術下無法實現以電能為存儲形式的跨季度存儲，通常需要轉化為其他可長期存儲的能源形式（天然氣、氫氣、冷熱等）。通過其他形式能源的轉化與利用，建立起包含電-氣、電-熱以及電-氫等電力系統(tǒng)與其他形式能源系統(tǒng)的耦合，在更廣泛的綜合能源系統(tǒng)范圍內實現可再生能源的消納與供需波動特性的平抑。
③ 空間可運輸
季節(jié)性儲能在時間尺度平抑系統(tǒng)波動特性的同時，在空間尺度可通過交通運輸實現儲能的空間搬運，在空間范圍內實現能量的轉移與系統(tǒng)供需關系平衡?？臻g可運輸性是季節(jié)性區(qū)別于短期儲能的重要特征。季節(jié)性儲能借助儲存能量的大規(guī)模時空轉移特性，實現了交通網與能源網的深度耦合。
03、季節(jié)性儲能研究關鍵科學問題
季節(jié)性儲能與短期儲能存在較大差異，其具備長時間尺度、多能源形式與跨空間范圍的3個關鍵特征，其研究中的關鍵科學問題可以總結為以下3個方面，如圖3所示。
圖3 季節(jié)性儲能研究的關鍵科學問題
1) 長時間尺度建模與優(yōu)化問題
長時間尺度是季節(jié)性儲能的重要特征，能夠為系統(tǒng)負荷與可再生能源發(fā)電的季節(jié)不匹配性提供調節(jié)能力。就運行層面而言，季節(jié)性儲能的運行優(yōu)化中的關鍵問題是電力系統(tǒng)多時間尺度動態(tài)運行優(yōu)化問題；就規(guī)劃層面而言，季節(jié)性儲能為電力系統(tǒng)運行帶來長時段多運行場景時序耦合問題。上述問題的數學本質是大規(guī)模動態(tài)優(yōu)化問題，需要引入隨機優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、模型預測控制、分解協(xié)調算法進行研究。
2) 多能源形式協(xié)調運行問題
季節(jié)性儲能促進了各能源系統(tǒng)間的耦合，源網荷側的運行問題都因此發(fā)生了深刻變化。季節(jié)性儲能參與運行的關鍵問題在于如何協(xié)同具有不同時間常數以及網絡特性的異質能源系統(tǒng)，其數學本質是包含偏微分方程約束與代數方程約束的優(yōu)化問題，需要采用離散等值等方法進行求解。
3) 跨空間范圍傳輸互濟問題
借助P2X技術可以實現電能的長期存儲，而存儲的能量通過能量網或者交通運輸可實現儲能的跨空間轉移。源荷時空分布特性決定了能量供需同時存在時間和空間上的差異，儲能可平抑系統(tǒng)可再生能源出力與負荷時間范圍內的不平衡波動。因此，季節(jié)性儲能不僅使電力系統(tǒng)與其他類型能源系統(tǒng)產生耦合，而且使電力系統(tǒng)與交通運輸網絡產生耦合，其本質上是多個網絡耦合的多時空優(yōu)化問題。
04、研究展望
季節(jié)性儲能技術作為長時間、大規(guī)模能量存儲的有效途徑，有著良好的發(fā)展前景。目前季節(jié)性儲能的研究方興未艾，尚未形成成熟的研究體系以及具有普遍性的研究結論。在綜述現有研究的基礎上，對未來面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能研究展望如下。
1) 考慮物理/化學過程的季節(jié)性儲能精細化建模
季節(jié)性儲能面向電、熱、氣、冷等多種能量形式，在優(yōu)化問題中需要針對儲能的特性，建立描述能量轉化物理/化學過程的數學模型。未來研究中需要注重對儲能因物理/化學過程決定的運行性能進行精細化建模，以全面體現其運行性能。這是未來分析含季節(jié)性儲能的能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃與運行問題的基礎。
2) 基于跨能源系統(tǒng)的季節(jié)性儲能優(yōu)化配置
從大能源系統(tǒng)的視角，各種類型儲能的容量需求以及合理配比有待進一步研究。而不同儲能技術多個系統(tǒng)內綜合價值的相對大小是決定未來儲能體系中不同季節(jié)性儲能優(yōu)化配比的關鍵。除了上述因素之外，決定一個能源系統(tǒng)季節(jié)性儲能的因素還包括：①季節(jié)性儲能成本與棄風、棄光經濟損失之間的平衡；②電、熱、天然氣、氫氣系統(tǒng)的負荷需求及相互間的耦合；③燃氣/熱力管網本身具備能量存儲功能能力等。
3) 考慮技術經濟性的季節(jié)性儲能與短期儲能協(xié)調規(guī)劃
季節(jié)性儲能的部分應用場景（如日內調峰）與短期儲能具有重疊，因此與短期儲能的協(xié)調規(guī)劃就成為儲能規(guī)劃中的重要問題。隨著相變、熱化學等儲熱技術，MOFs和LOHC等儲氫技術乃至MGES等新興技術實現低成本、高穩(wěn)定性和高能量密度的突破，未來季節(jié)性儲能在電力系統(tǒng)中的技術經濟性將不斷顯現。
4) 應對高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能靈活運行控制
未來根據凈負荷的波動特性合理安排不同時長、不同類型的儲能并進行靈活的運行控制與空間調度，可有效提升系統(tǒng)運行效率，獲得更大的經濟效益。需要建立考慮系統(tǒng)時空耦合特性的電力系統(tǒng)調度模型及其分解方法，為季節(jié)性儲能參與的系統(tǒng)運行優(yōu)化奠定基礎。
5) 考慮季節(jié)性儲能參與的綜合能源市場
季節(jié)性儲能作為大容量、跨能源系統(tǒng)的儲能形式，其參與市場后會為綜合能源市場帶來許多新問題。季節(jié)性儲能參與市場具有多重效益，包括能量效益、輔助服務效益、容量效益等，需要考慮儲能參與多個市場的協(xié)調與銜接問題。此外，季節(jié)性儲能具有初始投資大、年循環(huán)次數少等特點，如何建立合理的市場規(guī)則或補貼機制，充分反映季節(jié)性儲能的市場價值，對引導季節(jié)性儲能的發(fā)展具有重要意義。
05、結語
在中國高比例可再生能源電力系統(tǒng)的大背景下，儲能技術的發(fā)展與工程應用有利于提升系統(tǒng)運行的靈活性，實現更加高效的可再生能源消納。季節(jié)性儲能技術為電力系統(tǒng)大規(guī)?？稍偕茉聪{提供了解決思路，從時間、空間以及能源角度給予了高比例可再生能源電力系統(tǒng)更大的優(yōu)化空間，對未來電力系統(tǒng)關鍵技術的研究意義重大。本文介紹了當前季節(jié)性儲能技術的典型類型與發(fā)展現狀，對研究現狀進行了綜述，針對季節(jié)性儲能的關鍵特性，提煉了季節(jié)性儲能3個關鍵科學問題：長時間尺度建模與優(yōu)化、多能源形式協(xié)調運行、跨空間范圍傳輸互濟，并展望了面向高比例可再生能源消納的季節(jié)性儲能將來可能的研究方向，以期為學者未來的研究提供參考。
原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動化》2020年第44卷第19期，歡迎品讀！
引文信息
姜海洋, 杜爾順, 朱桂萍, 等. 面向高比例可再生能源電力系統(tǒng)的季節(jié)性儲能綜述與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(19): 194-207. DOI: 10.7500 / AEPS20200204003.
JIANG Haiyang, DU Ershun, ZHU Guiping, et al. Review and Prospect of Seasonal Energy Storage for Power System with High Proportion of Renewable Energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(19): 194-207. DOI: 10.7500 / AEPS20200204003.
姜海洋：清華大學電機系博士研究生，主要研究方向：季節(jié)性儲能、P2X技術、綜合能源系統(tǒng)等。
張 寧：清華大學電機系副教授，博士生導師，IEEE高級會員，主要的研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、多能源系統(tǒng)、風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、電力系統(tǒng)運行等。入選2016年中國科協(xié)青年人才托舉工程。發(fā)表學術論文100余篇，其中SCI收錄60余篇。論文在Google Scholar上被引用3200余篇次；作為負責人主持項目十余項。作為主要研發(fā)人員開發(fā)了電力系統(tǒng)規(guī)劃決策軟件GOPT，已用于十余個省電網公司及區(qū)域電網公司的電力規(guī)劃中。獲教育部科技進步一等獎、遼寧省科技進步二等獎、2012年中國百篇最具影響的國內學術論文獎、第47屆日內瓦國際發(fā)明展金獎。
杜爾順：清華大學電機系助理研究員，IEEE會員，CIGREC1.44工作組專家會員，主要研究方向包括新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃、光熱發(fā)電、電力規(guī)劃大數據分析等。入選2018年全國博士后創(chuàng)新人才支持計劃，獲批2018年全國博士后科學一等基金、2019年國家自然科學基金青年基金，作為骨干參與國家重點研發(fā)計劃1項、國家自然科學基金項目多項。目前已在國內外電力與能源行業(yè)重要期刊和國際會議發(fā)表論文25篇，其中SCI收錄15篇，合著英文專著1本（第3作者）、授權國家發(fā)明專利5項、美國專利1項。作為主要研發(fā)人員開發(fā)了電力規(guī)劃決策支持軟件GOPT，已應用于10余個省電網公司及區(qū)域電網公司規(guī)劃中。獲第47屆日內瓦國際發(fā)明博覽會金獎、江蘇省電力科技進步一等獎（第3完成人）。擔任IEEE Transactions on Power Systems 等多家SCI雜志審稿專家。
